(57)【要約】【課題】  簡素な構成で燃料電池への燃料ガス供給量を適正化することのできる燃料電池システム及びその運転方法を提供すること。【解決手段】  水素供給源と、水素ガスを用いて発電を行う燃料電池２と、水素供給源から供給される新たな水素ガスと燃料電池２から排出された水素オフガスとを合流させて燃料電池２に送るエゼクタ２４とを備えた燃料電池システムに、水素供給源とエゼクタ２４との間に、パイロット圧に応じて水素供給源からエゼクタ２４に供給される水素ガスの流路面積を制御するレギュレータ３２を設ける。このレギュレータ３２には、燃料電池２から排出された水素オフガスのガス圧をパイロット圧として与える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス供給源と、燃料ガスを用いた電気化学反応によって発電を行う燃料電池と、前記燃料ガス供給源から供給される新たな燃料ガスと前記燃料電池から排出された燃料ガスのオフガスとを合流させて前記燃料電池に送るエゼクタと、前記燃料ガス供給源から前記エゼクタに供給される燃料ガスの圧力を制御するレギュレータと、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記レギュレータは、前記オフガスのガス圧がパイロット圧として導入されることにより、二次側圧力が可変制御される、燃料電池システム。
【請求項２】
前記レギュレータは、前記オフガスのガス圧がパイロット圧として導入されることにより、当該レギュレータ内のガス流路断面積が可変制御される、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記レギュレータは、前記燃料ガスが流通するガス流路と、該ガス流路とはガス非連通のパイロット室及び大気室と、これらパイロット室と大気室とを仕切るダイヤフラムと、前記ガス流路内に設けられて前記ダイヤフラムの移動に伴う変位によりガス流路断面積を可変にする調圧バルブと、前記大気室内に設けられて前記ダイヤフラムを前記ガス流路断面積が縮小する方向に付勢する付勢手段とを備え、前記パイロット室には前記オフガスが導入されてその導入圧が前記付勢力に抗する方向に作用する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料ガス供給源から供給される新たな燃料ガスをレギュレータによって圧力制御したのちにエゼクタに供給し、該エゼクタにて前記燃料ガスと燃料電池から排出された燃料ガスのオフガスとを混合させて前記燃料電池に供給することにより、該燃料電池に発電を行わせる燃料電池システムの運転方法において、
前記レギュレータに前記オフガスを導入して前記レギュレータの二次側圧力を可変制御する、燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に係り、特に、燃料ガスの供給圧力制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池から排出される水素オフガスを水素供給路に戻す水素循環流路と、この水素循環流路からの水素オフガスを水素供給路に導入するエゼクタとを備えた燃料電池システムとして、エゼクタを迂回して水素ガスを燃料電池に供給するバイパス流路と、このバイパス流路を開閉するバイパス弁とが設けられると共に、燃料電池の運転状態に応じて前記バイパス弁の開度が制御可能とされたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−１５１５９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この特許文献１に記載の燃料電池システムによれば、運転状態に応じてバイパス弁の開度を制御するので、燃料電池への水素供給量を適正化することが可能であるが、流量センサや圧力センサが必要であり、システムが複雑化するという課題がある。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡素な構成で燃料電池への燃料ガス供給量を適正化することのできる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガス供給源と、燃料ガスを用いた電気化学反応によって発電を行う燃料電池と、前記燃料ガス供給源から供給される新たな燃料ガスと前記燃料電池から排出された燃料ガスのオフガスとを合流させて前記燃料電池に送るエゼクタと、前記燃料ガス供給源から前記エゼクタに供給される燃料ガスの圧力を制御するレギュレータと、を備えた燃料電池システムにおいて、前記レギュレータは、前記オフガスのガス圧がパイロット圧として導入されることにより、二次側圧力が可変制御される。
【０００６】
言い換えれば、前記レギュレータは、前記オフガスのガス圧がパイロット圧として導入されることにより、当該レギュレータ内のガス流路断面積が可変制御される。
【０００７】
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料ガス供給源から供給される新たな燃料ガスをレギュレータによって圧力制御したのちにエゼクタに供給し、該エゼクタにて前記燃料ガスと燃料電池から排出された燃料ガスのオフガスとを混合させて前記燃料電池に供給することにより、該燃料電池に発電を行わせる燃料電池システムの運転方法において、前記レギュレータに前記オフガスを導入して前記レギュレータの二次側圧力を可変制御する。
【０００８】
以上の構成からなる本発明の燃料電池システム及びその運転方法によれば、パイロット圧としての燃料ガスのオフガス圧が低い場合には、レギュレータの二次側圧力あるいはレギュレータ内のガス流路断面積（レギュレータの弁開度）が拡大される一方、パイロット圧が高い場合には、レギュレータの二次側圧力あるいはレギュレータ内のガス流路断面積は縮小される。
【０００９】
したがって、燃料電池高負荷時には、燃料電池でのガス消費量が多くその出口圧力（燃料ガスのオフガス圧力）は小さくなるので、レギュレータの弁開度が拡大し、エゼクタに対する燃料ガス供給量（主流流量）が増大する。これにより、燃料ガスストイキ（燃料電池への燃料ガス供給量／燃料電池での燃料ガス消費量）の低下が抑制され、燃料ガスストイキが適正化される。
【００１０】
一方、燃料電池低負荷時には、燃料電池でのガス消費量が少なくその出口圧力は大きくなるので、レギュレータの弁開度が縮小し、エゼクタに対する燃料ガス供給量が低下する。これにより、燃料電池低負荷時においても、高負荷時と同様に燃料ガスストイキが適正化される。
【００１１】
前記レギュレータは、前記燃料ガスが流通するガス流路と、該ガス流路とはガス非連通のパイロット室及び大気室と、これらパイロット室と大気室とを仕切るダイヤフラムと、前記ガス流路内に設けられて前記ダイヤフラムの移動に伴う変位によりガス流路断面積を可変にする調圧バルブと、前記大気室内に設けられて前記ダイヤフラムを前記ガス流路断面積が縮小する方向に付勢する付勢手段とを備え、前記パイロット室には前記オフガスが導入されてその導入圧が前記付勢力に抗する方向に作用するように構成される。
【００１２】
この構成によれば、例えば燃料電池でのガス消費量が少ない低負荷時は、燃料電池の出口圧力が高いので、パイロット室に導入されてダイヤフラムに作用するパイロット圧は上昇する。このため、ダイヤフラムが付勢手段の付勢方向と逆方向に移動し、それに伴い、ガス流路断面積が縮小し、ガス流路から排出される燃料ガスの流量は低減する。
【００１３】
一方、燃料電池でのガス消費量が多い高負荷時は、燃料電池の出口圧力が低いので、パイロット室に導入されてダイヤフラムに作用するパイロット圧は低下する。このため、ダイヤフラムが付勢手段の付勢方向と同方向に移動し、それに伴い、ガス流路断面積が拡大し、燃料ガスストイキの低下が抑制される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、レギュレータのパイロット圧として燃料電池から排出される燃料ガスのオフガスを用いたことにより、簡素な構成で燃料ガスストイキを適正化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。まず図１を用いて燃料電池システム全体の構成について説明する。
【００１６】
図１に示すように、燃料電池システム１は、酸化ガスとしての空気（例えば、外気）および燃料ガスとしての水素ガスの供給を受けて電力を発生する固体分子電解質型の燃料電池２を備えている。燃料電池２は、多数のセルを積層したスタック構造として構成されている。燃料電池システム１は、燃料電池２に空気を供給する空気供給系３と、燃料電池２に水素ガスを供給する水素供給系４と、を具備している。
【００１７】
空気供給系３は、加湿器１１により加湿された空気を燃料電池２に供給する空気供給流路１２と、燃料電池２から排出された酸素オフガスを加湿器１１に導いた後、該加湿器１１から図外の燃焼器に導くための空気排気流路１３と、が設けられている。空気供給流路１２には、外気を取り込んで加湿器１１に圧送するコンプレッサ１５が設けられている。
【００１８】
水素供給系４は、高圧の水素ガスを貯留した燃料ガス供給源となる水素タンク２１と、水素タンク２１の水素ガスを燃料電池２に供給する水素供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料ガスのオフガス）を水素供給流路２２に戻すための水素循環流路２３と、水素循環流路２３の水素オフガスを水素供給流路２２に還流させるエゼクタ２４と、を具備している。このエゼクタ２４によって、水素タンク２１からの新たな水素ガスと水素オフガスとが合流され、この合流後の混合ガスが燃料電池２に供給される。
【００１９】
水素供給流路２２は、エゼクタ２４の上流側に位置して水素タンク２１からの新たな水素ガスをエゼクタ２４に導く流路となる主流流路２２ａと、エゼクタ２４の下流側に位置して該エゼクタ２４からの混合ガスを燃料電池２に導く流路となる混合流路２２ｂと、で構成されている。主流流路２２ａには、その上流側から順に、これを開閉するシャットバルブ３１と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３２と、が介設されている。
【００２０】
水素循環流路２３には、逆止弁３４が介設されていると共に、水素排出流路３５が分岐配管されている。この水素排出流路３５は、本実施形態では水素循環流路２３からパイロット流路５０への分岐部よりも下流側に設けられているが、燃料電池２と前記分岐部との間に設けられていてもよい。
【００２１】
エゼクタ２４は、主流流路２２ａを経て水素タンク２１より供給される新たな水素ガスを噴射し、その際に発生する負圧により水素循環流路２３の水素オフガスが逆止弁３４を通じて吸引され、これら新たな水素ガスと水素オフガスとの混合ガスとなって燃料電池２へ供給される。
【００２２】
燃料電池２の発電時においては、燃料電池２に供給される空気流量が要求出力に応じて適宜制御され、水素ガスは圧力のかかった水素タンク２１からレギュレータ３２を介して、燃料電池２で消費された分が供給され続ける。
【００２３】
図２は、レギュレータ３２の動作原理を示す説明図である。レギュレータ３２は、流入口（レギュレータ一次側）４１と流出口（レギュレータ二次側）４４とが連通してなるガス流路、パイロット室４２、及び大気室４３を備え、パイロット室４２と大気室４３とはダイヤフラム４５によって仕切られている。また、パイロット室４２は、流入口４１及び流出口４４とはガス非連通となっている。流入口４１には、水素タンク２１からの新たな水素ガスが供給され、流出口４４は主流流路２２ａを経てエゼクタ２４の主流口と接続される。
【００２４】
大気室４３は大気と連通しており、その内部には、ダイヤフラム４５を図の下方向（開弁方向、ガス流路断面積が縮小する方向）に押し下げるように、スプリング（付勢手段）４６が設けられている。パイロット室４２には、燃料電池２から排出された水素オフガス（循環流）がパイロット流路５０を介して連通している。パイロット流路５０は、基端側が水素循環流路２３から分岐し、水素循環流路２３内の水素オフガス圧力がパイロット室４２に作用している。
【００２５】
また、ダイヤフラム４５の移動に伴って変位する調圧バルブ４７が図の上下方向（バルブ開閉方向、ガス流路断面積を拡大縮小する方向）に移動自在に支持され、シート４８に対して離間接近することで、調圧バルブ４７とシート４８との間に形成されて流入口４１と流出口４４とを連通させる隙間の面積（ガス流路断面積）が変化するようになっている。このように構成されたレギュレータ３２では、流入口４１から流入した高圧水素ガスは、調圧バルブ４７とシート４８の隙間を通じて流出口４４に流出する。
【００２６】
図２は、燃料電池２が低負荷時の状態を示しており、かかる運転状態では、燃料電池２でのガス消費量が少ないのでその出口圧力は増大し、パイロット流路５０からパイロット室４２には高圧が作用する。このため、ダイヤフラム４５が図の上方向へ押し上げられ、それに伴い、ダイヤフラム４５と連結された調圧バルブ４７が図の上方向（閉弁方向）に引き上げられる。その結果、調圧バルブ４７とシート４８との隙間が狭められるため、流出口４４に流入する水素ガスの流量は低減する。
【００２７】
図３は、燃料電池２が高負荷時の状態を示しており、かかる運転状態では、燃料電池２でのガス消費量が多いのでその出口圧力が低下し、パイロット流路５０からパイロット室４２に作用するパイロット圧は低下する。このため、スプリング４６と大気圧による付勢力によってダイヤフラム４５が図の下方向（開弁方向）に押し下げられ、それに伴い、調圧バルブ４７とシート４８との隙間が広くなる。そのため、主流圧は維持され、主流圧の低下が抑制される。その結果、流出口４４に流入する水素ガスの流量が増加し、水素ストイキの低下が抑制される。
【００２８】
これに対し、図５に示すレギュレータ７０の一従来例では、レギュレータ７０の流入口７１から流入した高圧水素ガスは、調圧バルブ７７とシート７８の隙間を通じて減圧室７２に流入する。減圧室７２に流入した水素ガスの圧力、すなわち主流圧力が所定の圧力よりも高い場合は、ダイヤフラム７５が図の上方向へ押し下げられ、それに伴い、ダイヤフラム７５と連結された調圧バルブ７７が図の上方向（閉弁方向）に引き上げられる。
【００２９】
その結果、調圧バルブ７７とシート７８との隙間が狭められて減圧室７２に流入する水素ガスの流量が低減し、流出口７４から出力される水素ガスの圧力が低下する。つまり、図５に示す従来構成のレギュレータ７０では、供給水素の二次圧を用いて圧力を調整しているため、ドループ（流量増加に伴う二次側圧力の低下）が大きい。このため、図６に示したように、燃料電池が高負荷となって主流流量が増大すると、二次側圧力が降下し、その結果エゼクタ主流圧が低下し、主流流量、循環量ともに低下して水素不足となる。
【００３０】
以上のように、本実施形態に係る燃料電池システムのレギュレータ３２は、水素循環流路２３内の水素オフガスの圧力が導入されてその導入圧の作用により、低負荷時にはレギュレータ３２内のガス流路断面積を縮小して水素流量を低減させる一方で、高負荷時には同ガス流路断面積を増大して水素流量を増加させる。したがって、図４に示したように、主流量増加時においても主流圧力の低下を抑制し、燃料電池２の運転状態（負荷状態）によらず、常に安定した水素ストイキを簡素な構成にて確保することができる。
【００３１】
また、レギュレータ３２のパイロット圧として燃料電池２から排出される燃料ガスのオフガスを用いるので、この燃料オフガスを水素排出流路３５に設けられたパージ弁を開放して燃料電池システム外にパージする際にも、パージ分の燃料オフガスがレギュレータ３２に供給される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態として示した燃料電池システム全体の構成について示した概略図である。
【図２】同燃料電池システムに用いられるレギュレータを示した模式図であり、低負荷時を示した図である。
【図３】同燃料電池システムに用いられるレギュレータを示した模式図であり、高負荷時を示した図である。
【図４】同燃料電池システムにおける燃料電池への水素ガス供給特性を示した図である。
【図５】レギュレータの一従来例を示した模式図である。
【図６】同レギュレータを用いた燃料電池システムにおける燃料電池への水素ガス供給特性を示した図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、２３…水素循環流路、２４…エゼクタ、３２…レギュレータ、４２…パイロット室、４３…大気室、４５…ダイヤフラム、４６…スプリング（付勢手段）、４７…調圧バルブ、５０…パイロット流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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